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本研究以探索镍—金属氢化物电池新型负极材料为目的,以非AB5型贮氢合金为研究对象,采用X射线衍射、Rietveld分析、恒电流充/放电、P-C-T曲线及线性微极化等方法,从基础和潜在应用等方面详细研究了非AB5型合金的结构与电化学性能。
对La-Ni体系中非AB5型二元合金的结构和电化学性能的研究表明,LaNi2.28具有最优异的高倍率充电性能;La2Ni7合金电极的高倍率放电性能最佳;La7Ni3在低温条件下表现出较好的放电性能。然而,所有得到的La-Ni合金电极容量远低于其理论容量。因此,必须通过进一步研究,如元素取代、热处理、表面处理等来提高其电化学容量。
对RENi3(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Y)研究表明:YNi3合金因其具有最大的晶胞体积,最小的密度,而表现出最好的高倍率充/放电性能及低温放电性能,但其高温放电性能需要进一步提高,以满足实际应用的要求。
用Al、Mn、Ti、Fe、Sn、Si、Cr、Mo、Cu和Co十种元素取代Ni进行了大量的配方筛选工作。得到了大量的实验数据,并发现LaNi3.7Al03合金电极电化学放电容量最高,达290.8mAh/g;LaNi3.7Mo0.3合金电极的高倍率放电性能最好,在以4200mA/g的电流密度下进行放电时,其放电容量仍达到145.8mAh/g;而Al的取代会使合金电极性能对温度不敏感。以我们的实验为基础,进一步进行合金配方的微调,具有可能开发出具有实用价值的贮氢合金的潜力。
在Ar保护下用真空电弧炉熔炼合成了四种La1-xMgx(NiCoAl)3.6体系贮氢合金,制成MH-Ni电池负极,通过恒电流充/放电方法研究了其电化学性能。结果表明:La1-xMgx(NiCoAl)3.6体系金属氢化物电极较容易活化,室温下具有优异的高倍率放电性能,在以4200mA/g电流放电时,La1-xMgx(NiCoAl)3.6合金电极的放电容量是AB5型合金电极的3倍,达152mAh/g,显示出良好的动力学特性。
研究了La0.7Mg03Ni4.0-x(Al0.5Mo0.5)x(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)系列贮氢合金的晶体结构和电化学性能。X射线衍射及Rietveld分析发现:所有La0.7Mg0.3Ni4.0-x(Al0.5Mo0.5)x合金均为包含PuNi3结构的六方La2MgNi9相、CaCu5结构的LaNi5主相及La2Ni7,LaNi2和LaNi杂相的多相结构。合金中La(La,Mg)2Ni9相及LaNi5相的晶格参数及晶胞体积均随合金中Al和Mo含量的增加而增大。用电化学方法测得的P-C-T曲线显示:Al和Mo部分取代Ni降低了氢的平台压力。随合金中Al和Mo含量的增加,电极的电化学容量从329.7(x=0)增加至365.4mAh/g(x=0.6)后又降低到351.3mAh/g(x=0.8)。当以1200mA/g的电流密度进行放电时,其HRD从62.0%(x=0)增加到82.1%(x=0.8)。线性微极化结果显示:Al和Mo的添加增大了合金表面的交换电流密度,因而也改善了合金电极的高倍率放电性能。另外,Al和Mo取代合金中的Ni增大了氢在电极合金中的扩散系数(D),改善了La0.7Mg0.3Ni4.0-x(Al0.5Mo0.5)x(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8)合金电极的低温放电性能(LTD)。